一種深腔異形底面高精度復雜沉窩電火花加工技術研究

江 暉，羅郁雯，李建原

（中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，綿陽 621900）

0 引言

電火花加工是一種電熱能加工方法，利用電極和工件兩極間脈沖放電加工。在加工過程中，電極和工件不接觸，當脈沖電流擊穿兩極之間絕緣介質，瞬間放電產生高熱量，將需加工的工件表面材料熔化。通過連續不斷的放電就能準確的加工出所需的形狀和精度的工件。所以電火花加工技術具有非接觸加工、無切削作用力、不受工件硬度限制等優點，在特殊及復雜形狀的零件以及難加工材料的加工上具有明顯的優勢[1]。

本文通過設計制備高精度電極，在電火花加工正交試驗基礎上，通過分析電極損耗、工件材料去除速度、加工表面質量、放電間隙等各電參數之間的關系，優選出粗、精加工工藝參數，有效降低電極損耗，提高生產率及加工精度，實現了一種復雜沉窩的電火花精密加工。

1 沉窩結構及工藝分析

1.1 結構分析

如圖1所示，在口部直徑約Φ250mm，內深約292mm的殼體底部加工三處沉窩結構。沉窩底部為球面外輪廓為兩段圓弧及兩端夾角30°直線段組成，深度約2mm，殼體材料為硬鋁2A12。

圖1 沉窩結構圖

1.2 工藝分析

根據沉窩結構特點，提出兩種加工工藝方案，一是銑削成型，二是電火花加工。對兩種工藝方案進行分析對比，認為前者在加工過程中存在以下三點困難：

1）在深約292mm殼體底部加工沉窩過程中，刀具懸伸過長，容易發顫，加工精度低；

2）精加工時，刀具刃部直徑小于1mm，走刀路線長，加工效率低；

3）在銑削沉窩底部結構時，刀具容易與工件發生干涉，不易保證產品質量。

因此除電火花加工方法外，其他加工方法基于效率、成本、精度等方面考慮幾乎不可能實現。即使是采用電加工方法，需解決以下技術難點：

1）沉窩形狀復雜且精度要求較高，電極設計和制造困難；

2）加工區域面積大，電極損耗快，表面質量及加工精度難以保證。這一難點可以通過電火花加工正交試驗，優選出粗、精加工工藝參數得到解決。

2 電火花加工試驗

2.1 影響電火花加工的主要因素

影響電火花加工主要因素有非電參數和電參數，其中非電參數主要有電極材料、沖液方式等，電參數主要有峰值電流ie、脈沖寬度ti、脈沖間隔to、加工電壓U、加工極性等。

2.2 試驗方案

加工機床為漢川機床廠制造的HCD800X高精度電火花成型機，工作液為電火花加工專用油，沖油方式為側向持續循環沖油，沖油壓力為約1bar。加工材料為16mm厚2A12板材，加工方式為負極性標準切入加工，即電極連接正極，工件連接負極。

電極材料采用紫銅，因其尺寸精度容易控制、導熱性好、損耗少、加工穩定性好等優點，適用于加工形狀復雜、精度要求較高的型腔。試驗用電極結構根據沉窩底部表面積設計成直徑Φ30mm圓柱。

為了研究峰值電流ie、脈沖寬度ti、脈沖間隔to、加工電壓U等電參數對工件材料去除率vm和電極損耗率ve的影響規律，采取正交試驗方法，試驗因素表頭設計如表1所示[2]。

表1 紫銅電極正交試驗表頭設計

2.3 試驗結果與分析

圖2 ie與vm、ve的關系

圖2在U=80V、ti=100μs、to=25μs下，vm、ve與ie之間變化關系（紅線為擬合曲線），可以看出vm、ve隨著ie增大而增大。

圖3 ti與vm、ve的關系

圖3在U=120V、ie=12A、to=50μs下， vm、ve與ti之間變化關系，可以看出ve隨著ti增大而逐漸減小，當ti≈240μs時vm達到最大值。

圖4 to與vm、ve的關系

圖4在U=160V、ti=200μs、ie=8A下，vm、ve與to之間變化關系，可以看出vm隨著to增大而減小，ve隨著to增大而增大，因此粗加工宜選用較短的to有利于提高加工效率，精加工宜選擇較長的to使加工變得穩定，表面質量得到改善。

圖5 U與vm、ve的關系

圖5在ie=4A、ti=150μs、to=100μs下，vm、ve與U之間變化關系，可以看出隨著U增大vm、ve變化不明顯。建議在電火花加工過程中電壓U選用40V～120V之間。

3 復雜沉窩加工

3.1 電極設計與加工過程

電極在設計上采用成型拷貝法[3]，即采用與沉窩型面完全貼合的成型電極進行拷貝加工，是加工沉窩等類型復雜型腔有效的方法。其主要設計原則是：

1）充分考慮放電間隙的影響，對電極型面進行相應的偏移處理；

2）充分考慮安裝和找正的方便；

3）能夠無過切的由加工初始位置運動到加工終止位置；

4）有利于提高加工效率。

根據圖1沉窩結構及電火花脈沖參數要求，設計的電極如圖6所示。其中SR球面為繞X軸的旋轉面，其球面圓心在基準面B上。C直邊用于確定分度起始位置，球面盤B面及圓柱A用于確定工件坐標系。分別制作粗、精加工用電極，粗加工用電極的球面SR、兩段圓弧R1及R2根據放電間隙0.4mm進行向內偏移，精加工用電極向內偏移0.1mm。為保證加工精度，精加工用電極的SR球面輪廓度應≤0.015mm，表面粗糙度Ra≤1.6μm。

圖6 電極設計圖

加工過程如圖7所示。首先拉直定位盤與電極頭C直邊，確定分度起始位置。將電極頭B面與口部端面接觸，確定工件坐標系Z原點位置。將電極頭球面盤與工件內腔四周分別接觸、找正，確定回轉中心位置。再將電極頭移至55mm處，并與殼體底部接觸。最后將電極頭抬高約1mm安全距離進行電火花加工，當Z=-200mm時完成加工。

3.2 粗加工參數優選

從提高加工效率及降低電極損耗方面，粗加工宜采用較寬的脈沖寬度，然后選擇合適的峰值電流，并注意加工面積和加工電流之間的配合關系。將表1數據進行正交、優選，粗加工電參數為：ie=20A、U=100V、ti=240μs、to=30μs，加工結果證明：vm=0.14g/min、ve=0.0012g/min，完成粗加工一個沉窩耗時約35min。

圖7 沉窩加工過程

在粗加工過程中可以通過建立炭黑保護層，可對電極起保護和補償作用，實現低損耗乃至無損耗加工。形成炭黑保護層主要有三個條件：

1）在工作液（如專用油）中采用負極性加工；

2）盡量增加ti，減少ie；

3）在保證加工穩定性前提下減少to。

加工試驗證明，在粗加工中選用ie/ti≤0.06～0.12A/μs，采用紫銅電極相對損耗率θ＜1%，其中相對損耗率

圖8 產生炭黑保護層的電極

3.3 精加工參數優選

由于沉窩表面粗糙度Ra要求小于3.2μm，加工精度要求為0.065mm以內。加工試驗證明，當ie、ti逐漸增大時，雖然vm得到提高，但加工表面質量逐漸變差，放電間隙逐漸增大，加工精度逐漸降低。因此在精加工時，一般選用窄脈沖寬度、小峰值電流加工，雖然精加工用的電極相對損耗率θ較大，不過加工留量很少，通常單邊不超過0.1mm～0.2mm，因此絕對損耗量甚微。圖9為θ與極性、ti之間的關系，可以看出當ti＜20μs時，采用正極性加工，θ比用負極性加工時小。

圖9 電極相對損耗率θ與極性、ti之間的關系

因此精加工沉窩采用正極性，優選后的電參數為ie=2A、U=80V、ti=10μs和to=50μs。

4 結束語

1）加工試驗證明：峰值電流ie、脈沖寬度ti是影響工件材料去除率vm和電極損耗率ve最顯著因素，脈沖間隔to、加工電壓U對vm和ve有一定的影響。

2）粗加工時，宜采用寬脈沖、負極性加工。精加工時，宜采用窄脈沖、正極性加工。

3）采取型面拷貝法設計并制備粗、精加工用電極，通過提高電極和工件之間的安裝定位精度，采用優選后的粗、精加工電參數，保證了沉窩的表面質量及加工精度。

[1]趙萬生.電火花加工技術[M].哈爾濱工業大學出版社,2000.

[2]謝云波,等.基于正交試驗的電火花加工實驗分析[J].精密制造與自動化,2009(3),31-32,62.

[3]楊大勇,等.整體葉輪電火花加工技術研究[J].航天制造技術,2012 (15),41-45.

[4]郭永豐,白基成,劉晉春.電火花加工技術[M].哈爾濱工業大學出版社,2005.